[CS 스터디 #04] 운영체제(OS)-커널/ 시스템콜/ 인터럽트/ 메모리 등...

 

 

 

 

💻 운영체제: Operating System

 

 ✔️ 운영체제: 컴퓨터 시스템의 자원들을 효율적으로 관리하며, 사용자가 컴퓨터를 편리하고 효과적으로 사용할 수 있도록 환경을 제공하는 여러 프로그램들의 모임

 

 

 

◻️ 커널

 운영체제의 핵심 부분으로, 컴퓨터에 속한 자원들에 대한 접근을 중재하는 것이 중요 기능이다. (하드웨어와 응용 프로그램 사이에서 인터페이스를 제공하여 응용 프로그램이 하드웨어에서 오는 자원을 관리하고 사용할 수 있게 해준다)

 컴퓨터가 전원이 켜지면 운영체제 역시 다른 소프트웨어처럼 수행을 위해서 메모리에 올라가야 하는데, (규모가 큰 운영체제의 일부에서) 필요한 부분만을 떼어 항상 메모리에 상주하도록 한 운영체제 부분이 커널이라고 할 수 있다. 정리하자면 즉, 커널은 메모리에 상주하는 부분으로서 운영체제의 핵심적인 부분이 된다. 

 

 

 

 

 

💙 💙 💙

 

 

◻️  시스템 콜

 응용 프로그램이 운영체제의 기능을 사용하기 위해 운영체제의 API를 호출하는 함수이다.

 운영체제는 사용자 모두와 커널 모드로 나뉘어 구동되는데, 사용자 모드는 유저가 접근할 수 있는 영역을 나누고 프로그램 자원에 침범하게 하지 못하는 모드, 커널모드는 모든 자원에 접근하거나 명령할 수 있는 모드를 뜻한다.

 시스템 콜은 프로세스 제어, 파일 조작, 장치 관리, 정보 유지, 통신 등의 커널 API를 사용하기 위해 사용자 모드에서 커널 모드로 전환하게 해주며, 커널이 제공하는 API를 사용한 뒤에는 다시 사용자 모드로 전환시킨다.

 즉, 프로세스가 하드웨어에 직접 접근해서 필요한 기능을 사용할 수 있게 해주는 것이라고 할 수 있다.

 윈도우 커널의 경우 응용 프로그램은 사용자 모드, 나머지는 커널 모드라 한다.

 

✔️ 대표적인 시스템 콜

• fork() : 자신과 똑같은 자식 프로세스를 만드는 것으로 주로 유닉스 계열의 운영체제에서 사용된다. return되는 pid가 0(자식)인지, 0보다 큰지(부모)로 부모와 자식을 구별한다.

✔️ 시스템 콜 유형

• 프로세스 제어 (Process Control)
  • 끝내기(end), 중지(abort)
  • 적재(load), 실행(execute)
  • 프로세스 생성(create process)
  • 프로세스 속성 획득과 설정(get process attribute and set process attribute)
  • 시간 대기(wait time)
  • 사건 대기(wait event)
  • 사건을 알림(signal event)
  • 메모리 할당 및 해제 : malloc, free
• 파일 조작 (File Manipulation)
  • 파일 생성(create file), 파일 삭제(delete file)
  • 열기(open), 닫기(close)
  • 읽기(read), 쓰기(write), 위치 변경(reposition)
  • 파일 속성 획득 및 설정(get file attribute and set file attribute)
• 장치 관리(Devide Management)
  • 장치를 요구(request devices), 장치를 방출release device)
  • 읽기, 쓰기, 위치 변경
  • 장치 속성 획득, 장치 속성 설정
  • 장치의 논리적 부착(attach) 또는 분리(detach)
• 정보 유지(Information Maintenance)
  • 시간과 날짜의 설정과 획득(time)
  • 시스템 데이터의 설정과 획득(date)
  • 프로세스 파일, 장치 속성의 획득 및 설정
• 통신(Communication)
  • 통신 연결의 생성, 제거
  • 메시지의 송신, 수신
  • 상태 정보 전달
  • 원격 장치의 부착 및 분리
  • 메시지 전달 - 두 프로세스의 통신에 정보 교환을 위한 메시지
  • 공유 메모리 - 다른 프로세스가 소유한 메모리에 접근을 위해 특정 시스템 콜 호출

 

 

 

 

💙 💙 💙

 

 

◻️ 인터럽트

 프로그램을 실행하는 도중에 예기치 않은 상황이 발생할 경우, 현재 실행 중인 작업을 즉시 중단하고 발생된 상황에 대한 우선처리가 필요함을 CPU에게 알리는 것이다. 

 하드웨어 인터럽트와 소프트웨어 인터럽트로 나뉜다.

• 하드웨어 인터럽트: 키보드, 마우스에 의한 입출력과 같이 하드웨어가 발생시킨 인터럽트를 뜻한다.
• 소프트웨어 인터럽트: 프로그램이 오류를 범하여 Exception이 발생하거나, 사용자 프로그램이 커널 함수를 위해 호출하는 System Call이 발생하는 경우를 뜻한다. 트랩(Trap)이라고도 불린다.

 

✔️ 인터럽트 발생 과정

• 인터럽트 발생
• CPU는 현재 진행 중인 기계어 코드를 완료한다
• Interrupt Vector (여러 종류의 인터럽트에 대한 ISR의 시작주소)에서 ISR(Interrupt Service Routine)의 시작주소를 읽고 이를 처리한다. 이 때 실행 중이던 레지스터와 PC(Program Counter: CPU 내부에 있는 레지스터 중의 하나로서, 다음에 실행될 명령어의 주소를 가지고 있어 실행할 기계어 코드의 위치를 지정한다. 때문에 명령어 포인터라고도 불린다.) 값을 보관해서 CPU의 상태를 보존해둔다.
• 인터럽트 서비스 루틴을 처리한다.
  • 원인을 파악하고 실질적인 작업을 수행한다. 루틴 수행 중, 우선순위가 더 높은 인터럽트가 발생하면 재귀적으로 발생과정을 반복 수행한다.
• 상태 복구
  • 해당 작업을 다 완료처리하면, 대피시킨 레지스터를 복원한다.
  • ISR 끝에 RETI 명령어에 의해 인터럽트가 해제된다.
  • 명령어가 실행되면, PC값을 복원하여 이전 실행위치로 복원한다.

 

 

 

💙 💙 💙

 

 

◻️  동기화

 공유 데이터에 두 개 이상의 프로세스가 동시에 접근하면, 데이터의 불일치가 발생하게 된다. 이를 방지하고 데이터 일관성을 유지하기 위한 매커니즘을 동기화라고 한다. 동기화 중에서도 하나의 자원을 한 순간에 하나의 프로세스만이 이용하도록 제어하는 것을 프로세스 동기화라고 한다.

 

✔️ 경쟁 상태 (Race Condition)

 공유 자원에 대해 여러 프로세스가 접근을 시도할 때, 타이밍이나 순서 등이 결과값에 영향을 줄 수 있는 상태를 말한다. 발생 조건은 다음과 같다.

• 커널 작업 수행 중 인터럽트가 발생할 때: 커널 모드에서 인터럽트가 발생하여 같은 데이터를 조작하는 경우 인터럽트의 작업이 반영되지 않는다. 따라서 커널 모드에서 작업을 수행할 때에는 인터럽트를 disable시켜 인터럽트가 CPU 제어권을 가져가지 못하도록 한다.
• 프로세스가 시스템콜을 하여 커널모드로 진입, 작업을 수행하는 도중 문맥교환이 발생할 때: 프로세스1이 커널모드에서 데이터를 조작하는 도중 시간이 초과되어 CPU 제어권이 프로세스2로 넘어가 같은 데이터를 조작하는 경우, 프로세스2의 작업이 반영되지 않는다. 따라서 커널모드에서 작업시 시간이 초과되어도 CPU 제어권이 다른 프로세스에게 넘어가지 않도록 한다.
• 멀티 프로세서에서 공유 메모리 내의 커널 데이터에 접근할 때: 멀티 프로세서 환경에서 두 개의 CPI가 동시에 커널 내부의 공유 데이터에 접근하여 조작을 하는 경우에 발생한다. 커널 내부에 있는 각 공유 데이터에 접근할 때마다 데이터를 lock/unlock하는 방법으로 문제를 해결한다.

 

✔️ 임계 영역 (Critical Section)

 공유 자원의 코드 영역으로 둘 이상의 프로세스가 동시에 접근해서는 안되는 영역이다. 이 문제를 해결하기 위해서는 아래와 같은 3가지 조건이 충족되어야 한다.

• 상호배제 (Mutual Exclusion): 하나의 프로세스가 임계영역에 들어가 있으면 다른 프로세스는 들어갈 수 없다.
• 진행 (Process): 임계구역에서 실행 중인 프로세스가 없다면, 어느 프로세스가 들어갈 것인지 적절한 선택이 필요하다.
• 유한대기 (Bounded waiting): 기아상태 방지를 위해, 한 번 들어갔다 나온 다음 입장에서 프로세스는 제한을 준다.

 임계영역 해결 방식으로는 피터슨 알고리즘/ 뮤텍스(Lock 하나)/ 세마포어(Lock이 여러개) 등이 있다.

 

 

 

 

 

💙 💙 💙

 

 

◻️ DeadLock 교착상태

둘 이상의 프로세스가 다른 프로세스가 점유하는 자원을 서로 기다리며 무한 대기에 빠진 상황을 말한다.

 

✔️ 데드락 발생 조건

• 상호배제: 한 번에 하나의 프로세스만이 해당 자원을 사용할 수 있다. 사용 중인 자원을 다른 프로세스가 사용하려면 해당 자원이 해제될 때까지 기다려야 한다.
• 점유 대기: 자원을 최소 하나 이상 보유하고, 다른 프로세스에 할당된 자원을 점유하기 위해 대기해야 한다.
• 비선점: 이미 할당된 자원을 강제로 빼앗아 점유할 수 없다.
• 순환 대기: 대기 프로세스의 집합이 순환형태로 자원을 기다리고 있어야 한다.

✔️ 데드락 해결법

• 데드락이 발생하지 않도록 예방하기
• 데드락 발생 가능성을 인정하면서도 적절하게 회피하기
• 데드락 발생을 허용하지만 데드락을 탐지하여 데드락에서 회복하기
• 무시하기

    ◼️ 데드락 예방(Prevention)

 발생조건 4가지 중 하나라도 발생하지 않도록 하여 데드락 발생 가능성을 차단하는 것이다. 하지만 이는 시스템 처리량이 늘어나며 효율성이 떨어진다는 단점이 있다.

 

    ◼️ 데드락 회피(Avoidance)

 회피 알고리즘은 자원 할당 후에도 시스템이 항상 안정상태에 있을 수 있도록 할당을 허용하자는 것이다.

• 안정 상태(Safe State): 시스템의 프로세스들이 요청하는 모든 자원을, 데드락을 발생시키지 않으면서도 차례로 모두 할당해줄 수 있는 상태
• 안전 순서(Safe Sequence): 특정 순서로 프로세스들에게 자원을 할당하는 등 작업을 할 때. 데드락이 발생하지 않는 순서를 찾을 수 있는 것
• 불안정 상태: 안정 상태가 아닌 상태이며 데드락 발생 가능성이 있는 사태이다.

       💡 은행원 알고리즘 (Banker's Algorithm)

   회피 방법에서 대표적으로 쓰이는 알고리즘이다. 다익스트라가 제안한 기법으로, 어떤 자원의 할당을 허용할지 결정하기 전에 미리 결정된 모든 자원들의 최대 가능한 할당량을 가지고 시뮬레이션 해서, 자원 할당 후에도 안정 상태로 있을 수 있는지 여부를 검사하는 것이다. 즉 대기 중인 다른 프로세스들의 활동에 대한 교착상태 가능성을 미리 조사하는 것이다. 이 알고리즘을 사용하면 사전에 자원 할당량을 파악하고 데드락을 회피할 수 있다.

 

    ◼️ 데드락 탐지(Detection) 및 회복(Recovery)

 시스템이 데드락 예방이나 회피법을 사용하지 않았을 때, 데드락이 발생할 수 있으니 회복을 위해 데드락을 탐지하고 회복하는 알고리즘을 뜻한다.

 자원할당 그래프 등을 통해 데드락이 탐지되면, 단순히 프로세스를 1개 이상 중단시키거나 자원을 선점하도록 해서 데드락을 회복시킨다.

 

 

 

 

 

💙 💙 💙

 

 

◻️ 메모리

 메모리는 컴퓨터에서 작업을 수행하기 위해 처리 대상이나 결과 등을 저장하기 위한 공간이다. 프로그램을 실행하기 위한 정보들은 메모리에 저장되어 처리된다.

 

 

◻️ 가상 메모리

 보조기억장치를 가상의 논리적 메모리 공간으로 이용하는 방법이다.

 다중 프로그래밍 환경에서 프로세스를 모두 메모리에 적재하기엔 물리적 메모리의 크기가 제한적이어서 고안된 방법이다. 대부분의 프로그램은 부분적인 적재만으로도 실행시킬 수 있는데 이러한 특징을 이용한 방법으로, 프로세스 실행에 꼭 필요한 부분만 메인 메모리에 적재하고 나머지는 디스크에 저장한다.

 

 ✔️ 페이징(Paging) 기법

 보조기억장치를 이용한 가상메모리를 같은 크기의 블록으로 나눈 것이다. 주기억장치 또한 페이지와 같은 크기로 나누는데 이는 Frame이라고 부른다.

 사용하지 않는 프레임은 페이지로 옮기고, 필요한 메모리는 페이지 단위로 프레임에 옮겨서 사용하는 방식이다. 내부 단편화가 발생할 수 있다.

 

    ◼️ 페이징 교체 기법

• FIFO (First-In First Out): 메모리에 가장 먼저 올라온 페이지를 교체하는 알고리즘이다. 반복적으로 사용되는 페이지여도 교체된다는 단점이 있다.
• OPT (Optimal Page Replacement) : 앞으로 가장 오랫동안 사용되지 않을 페이지를 교체하는 알고리즘이지만, 프로세스가 앞으로 사용할 페이지를 미리 알아야한다는 구현 불가능한 선제조건이 있기 때문에 실제 구현목적으로 사용되지 않는다.
• LRU (Least-Recently-Used): 최근에 사용하지 않은 페이지를 가장 먼저 내보내는 알고리즘이다. 최근에 사용되지 않았으면 나중에도 사용되지 않을 것이라는 아이디어를 기반으로 한다. 오버헤드가 높다는 단점이 있다.
• LFU (Least Frequently Used): 참조된 횟수가 가장 적은 페이지를 교체하는 알고리즘이다. 페이지가 참조될 때마다 참조횟수를 증가시켜 이것이 가장 적은 페이지를 내보낸다. 가장 최근에 옮겨진 페이지가 교체될 수 있다는 것, 초기에 많이 사용되었지만 최근에는 사용되지 않은 페이지라면 교체 가능성이 낮다는 것, 오버헤드가 높다는 것과 같은 단점이 있다.
• MFU (Most Frequently Used): 가장 많이 사용된 페이지부터 교체하는 기법이다. 적게 사용된 페이지일 수록 메모리에 들어온지 얼마 안되어서 앞으로 많이 사용될 것이라는 가정을 기반으로 한다.

 ✔️ 세그멘테이션(Segmentation) 기법

 가상 메모리를 서로 크기가 다른 논리적 단위인 세그멘테이션으로 분할하여 메모리에 할당하는 것이다. 크기가 제각각이기 때문에 외부단편화가 일어날 수 있다.

 

 

 

 

 

 

💙 💙 💙

 

 

📝 CS 질문 정리

1.  데드락이란 무엇인가? 발생 조건은?
2.  데드락의 해결 방법은?
3.  세마포어와 뮤텍스의 차이: 뮤텍스는 Locking 메커니즘으로 락을 걸은 스레드만이 임계영역을 나갈 때 락을 해제할 수 있다. 하지만 세마포어는 Signaling 메커니즘으로 락을 걸지 않은 쓰레드도 signal을 이용해 락을 해제할 수 있다. 세마포어의 카운트를 1로 설정하면 뮤텍스처럼 활용할 수 있다.
4.  CPU의 메모리 I/O 도중 생기는 병목형상을 어떻게 해결하는가?: 메모리를 계층화하면 병목현상을 해결할 수 있다. 자주 접근하는 데이터의 경우에는 캐시에 저장하여 접근 속도를 향상시켜 부하를 줄인다.
5.  교착상태란 무엇인가?
6.  가상메모리란?
7.  페이징 교체 기법에 대해 아는 것을 설명하시오
8.  페이징 기법과 세그멘테이션 기법의 차이는?

 

 

 

 

 

 

 

 

💎 💎 💎

 

 

Ｐｏｓｔｅｄ Ｂｙ ＳＡＹ

𝘛𝘩𝘢𝘯𝘬𝘴 𝘧𝘰𝘳 𝘳𝘦𝘢𝘥𝘪𝘯𝘨